基于變形時空演化的霧江滑坡體預測預報研究

龔博，姜龍，王振華

（1.湖南涔天河工程建設投資有限責任公司，湖南永州 425500；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

引言

在大型水利水電工程尤其是高壩大庫中，庫岸再造（庫岸滑坡）現象時有發生。霧江滑坡體是位于涔天河水庫擴建工程庫首右岸典型的順層、牽引式古滑坡體，總體積達1 327 萬m3。長期以來，霧江滑坡體一直處于緩慢蠕滑狀態，變形仍未收斂。其變形演化趨勢和滑坡穩定性直接影響涔天河水庫蓄水和運行安全。

現階段，針對蓄水期滑坡變形及穩定性問題已取得一定進展。在滑坡監測中，鄭萬基等[1]利用哨兵一號A 星（Sentinel-1A）數據，通過使用時域相干點目標技術（TCP-InSAR），獲取金沙江中游興培當至草可都段的滑坡結果；張國麗等[2]利用三維激光掃描技術進行小區域滑坡變形監測的可行性；唐軍峰等[3]基于現場詳細的工程地質勘察資料和監測資料，分析了堆積體邊坡的結構特征和變形特征；陳廷照等[4]基于監測資料，分析了滑坡時空分布特征；侯炳紳等[5]收集溪洛渡水庫庫區滑坡近3 年的監測資料，分析了庫區滑坡的時空分布特征；在滑坡數值模擬中，王林峰等[6]基于FLAC3D滲流分析模塊功能和算法對三峽庫區龍江紅巖子滑坡的機制進行研究；張振華等[7]基于流固耦合理論，采用ABAQUS 軟件分別對該岸坡在三峽水庫蓄水，降雨及兩者共同作用下岸坡的地下水滲流場和應力場進行計算；在滑坡穩定性評價中，張永剛、張磊等[8～10]考慮降雨、庫水位等條件，進行了滑坡穩定性及敏感性評價；在滑坡預測預報中，鄭洪、楊鵬等[11～14]，基于穩定性成果，進行了滑坡涌浪及治理措施等方面的預測。學者們基于滑坡的變形監測、數值模擬和穩定性等方面，均作出了較大的貢獻，但在基于監測成果，進行數值模擬和穩定性評價的系統攻關方面略有不足。

本文基于霧江滑坡在涔天河水庫一期蓄水期間（蓄水至EL282 m）的變形監測成果，分析滑坡時空演化規律，并以此為基礎，進行滑移面判別和選取，進而以變形特征和滑移面位置等指標，進行較為針對的滑坡體穩定性分析和變形演化趨勢評價，提出了一套滑坡預測預報評價體系，具有工程應用價值和借鑒意義。

1 霧江滑坡現場踏勘及工程地質情況

1.1 現場踏勘

現場調研可知，滑坡體總體形貌如圖1 所示，其表現出兩個典型特點：

1）滑坡體后緣平坦，植被茂密與后緣山體高陡的地形有明顯差異。

2）滑坡體整體地貌特征表現為溝谷相間。從整體上來看，霧江滑坡體具有明顯的高低起伏。滑坡區發育3 條沖溝，延伸較長，切割較深，其中①號沖溝位于滑坡體下游邊界，②號沖溝位于滑坡體中部，③號沖溝位于滑坡體上游邊界。這3 條沖溝的走向近似平行，與區域巖層走向近似。這3 條沖溝在地貌上形成了滑坡體的邊界線。

圖1 霧江滑坡體溝谷相間地貌

1.2 工程地質條件

霧江滑坡體大致劃分為4 個區，其中I 區又可以分為3 個亞區。其中，I 區：位于滑坡前緣，在平面上為②號沖溝——一級平臺及前緣構成的區域。主要為散體結構，局部為碎裂結構。II 區：在平面上為②號沖溝——二級平臺——③號沖溝及前緣構成的區域，后緣邊界位于二級平臺后側。表部為礫質粘土，厚0～8 m，上部為散體結構，下部為碎裂結構。III 區：②、③號沖溝之間，二級平臺后側至滑坡體后緣，表部為礫質粘土，厚0～8 m，上部為散體結構，厚18～45 m，下部為碎裂結構巖體，最厚達40 m，向兩側、向后變薄。IV 區：①、②號沖溝之間為第一期滑坡的殘留體，表部為礫質粘土，局部礫質重粉質壤土，厚3～10 m；上部大多為散體結構，底部局部含有碎裂結構巖體，厚10～40 m。滑坡體地質分區及內部典型地質剖面如圖2 所示。

圖2 工程地質分區圖及2 個典型剖面

2 滑坡監測設計及成果

2.1 滑坡監測設計

霧江滑坡體安全監測系統布設在4 個典型剖面上，主要監測項目有表部變形監測、深部變形監測以及地下水位監測，共布置3 座位移工作基點、16 座表面位移測點、8 孔/60 套固定式測斜儀、8 孔地下水位測壓管/8 支滲壓計、4 孔12 支多點位移計等監測儀器設備。安裝埋設如圖3 所示。

圖3 霧江滑坡監測布置示意圖

2.2 滑坡變形監測成果分析

一期蓄水期間的主要監測成果以IN-固定測斜儀為主。

1）選取典型2#斷面，進行相對變形隨深度變化分析。監測成果如圖4 所示。

圖4 霧江滑坡體2#剖面IN3、IN4 相對變形隨深度變化

IN3 測斜孔（低高程孔）在臨空面方向的相對變形整體呈波動狀態，向坡內變形在-7.35～-2.22 mm 之間，相對變形變化量在-0.04～4.72 mm 之間；向坡外變形在3.28～6.80 mm 之間，相對變形變化量在-6.78～-0.11 mm 之間。

IN4 測斜孔（高高程孔）在臨空面方向的相對變形整體呈波動狀態，向坡內變形在-4.57～-0.05 mm 之間，相對變形變化量在-0.97～4.06 mm 之間；向坡外變形在2.26～9.36 mm 之間，相對變形變化量在-1.54～0.74 mm之間。

從2#斷面的IN3、IN4 測斜孔不同時間節點的變形量級來看，深部潛在滑移帶相對變形在低高程處呈減小趨勢，在高高程處呈微增大趨勢；淺部潛在滑移帶相對變形在低高程處呈減小趨勢，在高高程處呈微增大趨勢。

2）選取典型2#斷面，進行累計變形隨深度變化分析。監測成果如圖5 所示。

圖5 霧江滑坡體2#剖面IN3、IN4 累計變形隨深度變化

分析可見，2#斷面的IN3、IN4 測斜孔深部累計變形在臨空面方向變形整體呈坡外波動增加趨勢，低高程整體變形較為協調，高高程整體變形不協調。霧江滑坡體低高程存在一處明顯潛在滑移面，滑面位置較深，且滑面以上滑體呈整體運動。霧江滑坡體高高程存在兩處明顯潛在滑移面，并已產生錯動，后期需進一步加強觀測。

3 霧江滑坡穩定性分析評價

選取滑坡體沿主滑動方向的縱1、縱2、縱3 與縱4 剖面作為典型計算剖面。各典型計算剖面的平面位置如圖6 所示，其評價參數見表1 所示。

結合典型斷面監測成果和潛在滑移面位置情況，采用中國水科院自主開發的邊坡穩定分析程序STAB2010，對任意形狀滑裂面采用Spencer 法，圓弧滑面采用簡化Bishop 法，并采用最優化方法搜索最小安全系數對應的臨界滑裂面，建立與監測所揭示的潛在滑移面較為一致的穩定性分析評價模型。經試算，庫水位282 m 工況的抗滑穩定分析成果如表2 所示。

從計算結果可以看出：

1）EL282 m 條件下滑坡體的安全儲備不高。EL282 m 蓄水位條件下，各剖面中部至底部沿滑帶土剪出的安全系數在0.99～1.12 之間，由頂部至底部整體剪出的安全系數在0.90～1.10 之間，中下部由滑坡體內部剪出的安全系數在0.96～1.09 之間，從滑坡體內部圓弧剪出得安全系數在1.06～1.24 之間，各剖面穩定安全系數較小。

圖6 霧江滑坡體各典型計算剖面及破壞模式

表1 霧江滑坡體巖土物理力學參數值

表2 庫水位282 m 工況的抗滑穩定分析成果

2）降雨對滑坡體的穩定性影響不顯著。在考慮降雨影響時的安全系數較天然狀況降低0.01 左右，表明降雨對滑坡體的安全系數影響不大。這一結果可能受滑坡體表部覆蓋層及內部布置的深排水孔的影響。

4 霧江滑坡體應力變形規律

4.1 蓄水至282 m 驗證工況

依據EL282 m 蓄水工況，建立三維數值模型（見圖7）。模型底部高程選擇為120 m 高程，上下游方向以及邊坡傾向方向分別取滑坡體邊界向外延伸50 m 以上。將順河床上下坡方向設為x 向，以指向坡里（上坡）作為正方向；將豎直方向設為z 向，以向上為正方向；沿河流方向為y 向，順水流方向為正方向。模型的底部邊界采用全約束，其它四個豎直邊界采用法向約束。滑動帶內單元尺寸不大于2 m，滑坡體內單元尺寸不大于5 m，單元以六面體單元和三棱柱單元為主，個別部位為四面體單元，中間以金字塔單元過度，基巖以六面體為主。單元數約為63.5 萬個，節點數約為43.6 萬。

在EL282 m 條件下，選取霧江滑坡體潛在滑移面附近的12 個監測代表點，用于邊坡實測位移與應力變形對比分析。分析計算位移與安全監測數據對比統計如表3 所示。

分析可見，各個剖面監測點計算位移與監測位移基本具有良好對應關系，除了剖面2-2 監測點2 和3外，其它誤差均小于10%。因此，該計算使用的巖土體參數取值較為合理。

圖7 霧江滑坡體三維計算模型

表3 監測結果與應力變形計算結果對比統計表

霧江滑坡體在庫水位EL282 m 條件下的整體和典型代表剖面的塑性區分布和位移增量見圖8 和圖9所示。

圖8 庫水位EL282 m 工況總體塑性區分布

分析可見，1-1、2-2、3-3 剖面塑性區分布規律基本一致，坡腳處剪切塑性屈服、中間存在一段未發生屈服區域、深部弧形塑性屈服區；4-4 剖面深部塑性屈服區較為集中，是形成兩個弧形變形區的主要原因。邊坡表面和內部整體均未形成貫通塑性區；塑性區分布范圍較大，存在局部塑性區貫通趨勢，邊坡安全裕度不大。

圖9 庫水位EL282 m 工況邊坡增量總位移

4.2 蓄水至313 m 預測工況

霧江滑坡體在涔天河水庫蓄水至正常蓄水位EL313 m 條件下的整體塑性區分布和位移增量見圖10和圖11 所示。

圖10 庫水位EL313 m 工況總體塑性區

圖11 庫水位EL313 m 工況總體位移增量分布

分析可見，邊坡表面和內部整體均未形成貫通塑性區，邊坡整體穩定；塑性區分布范圍較大，存在局部塑性區貫通趨勢，邊坡安全裕度不大。其數值模擬成果與滑坡體抗滑穩定性分析的結果基本一致，滑坡體整體失穩可能性較小，但仍存在局部滑塌現象。

另外，滑坡體內代表監測點在蓄水至313 m 預測工況相對基礎和驗證工況的模擬變形值如表4 所示。

表4 各工況典型測點在臨空面方向模擬位移統計表

當水庫從282 m 蓄水至313 m 高程時，對剖面1-1、剖面2-2 變形影響較大，如剖面1-1 測點2 的位移從14.26 mm 增大至28.35 mm；剖面3-3、剖面4-4 的變形仍增大，但量級相對較小，趨勢趨于緩和。

5 結論

1）霧江滑坡體具有明顯的從前緣到后部的逐步牽引式特點，整體存在兩個潛在滑移帶。深部潛在滑移帶相對變形整體呈減小趨勢，淺部潛在滑移帶相對變形整體呈微增大趨勢。

2）ELE282 m 蓄水位條件下，各種滑移模式下的各剖面穩定安全系數較小，安全裕度不大。坡體設置深部排水孔，在考慮降雨影響時的安全系數較天然狀況降低0.01 左右，表明降雨對滑坡體的安全系數影響不大。

3）水庫蓄水至313 m 高程，對滑坡體剖面1-1、剖面2-2 變形影響較大，對剖面3-3、剖面4-4 的變形影響相對較小。

4）邊坡變形中包含了部分塑性變形。邊坡表面和內部整體均未形成貫通塑性區，邊坡整體穩定。塑性區分布范圍較大，存在局部塑性區貫通趨勢，邊坡安全裕度不大。滑坡體整體失穩可能性較小，但仍存在局部滑塌的可能。